1 前言
材料、能源和信息技术是现代文明社会的三大支柱，材料则是人类用来制作物品的物质，是人类赖以生存的基础。材料分为金属、无机非金属、有机高分子及复合材料四大类，按其性能又分为结构与功能材料两大类；若从应用角度来看，又有信息、能源、建筑、生物、航空、航天等之分。所以材料特别是新材料则是当代高新技术发展的关键，对国计民生、国家安全及增强国际竞争力都具有重要作用，其中金属、陶瓷和高分子材料则是现代社会发展的三大工程材料。
而高分子材料是由C、H、N、O、Si、S等元素组成的分子量足够高（几百～几百万）的有机化合物。它们具有长链结构，每个分子都好像一条长长的线，许多分子聚积在一起就成为一个拉不开的线团团，因此它具有高强度；而且人们还可以通过各种手段，用物理或化学方法，或使高分子与其它物质相互作用后产生物理或化学变化，使高分子化合物成为能完成特殊功能的功能性高分子材料。
高分子材料具有优异的性能，能满足工业与人民生活的各种需要；原材料丰富，适合现代化大生产，经济效益显著，不受地域气候限制，因此高分子材料工业能得以高速发展，目前世界上合成高分子材料的产量已超过1.4亿吨，成为世界各国发展国民经济和国防建设的基础材料之一，并且高分子科学的三大组成部分——高分子化学、高分子物理和高分子工程也日趋成熟。
功能性高分子材料又分为物理、化学和生物与医用等类别，而磁性高分子材料则属于物理类之列。在人类材料发展史上，磁性材料曾长期为含铁族或稀土金属合金和氧化物等无机磁性物质所独占，但因其比重大、脆硬、加工成型困难，使之在一些特殊场合下使用受限。而功能有机高分子材料柔软质轻、加工性能优越、分子结构变化多端，具有无机材料无法取代的特性，因此将无机磁性材料与高分子结合或用特殊方法造成纯有机磁性材料都是开发新型磁性材料的有效途径之一。
有机磁性材料的出现，扩展了应用磁学的视野。同时有机磁的出现也揭示出了许多生物界之谜。
2 磁性高分子材料的种类与构成
高分子磁性材料，是人类在不断开拓磁与高分子聚合物（合成树脂、橡胶）的新应用领域的同时，而赋予磁与高分子的传统应用以新的涵义和内容的材料之一。高分子磁性材料，因具有比重轻、容易加工成尺寸精度高和形状复杂的制品，还能与其它元件一体成型等特点，而越来越受到人们的关注。
磁性高分子材料通常可分为复合型和结构型两种。复合型磁性高分子材料是指以高分子材料与各种无机磁性物质通过混合、粘结、填充复合、表面复合、层积复合等方式制得的磁性体，如磁性橡胶、磁性树脂、磁性薄膜、磁性高分子微球等，目前已具有很好的实际应用价值。结构型磁性高分子材料系指不用加入无机磁性物而高分子自身就具有强磁性的材料，由于比重小、电阻率高，其强磁性来源与传统的无机磁性材料很不相同，具有重要的理论意义和应用前景。
3 磁性高分子材料的制备方法
3.1 复合型磁性高分子材料
复合型磁性高分子是已经实现商品化的一类重要材料，能够作为功能材料应用的主要有磁性橡胶、磁性塑料、磁性高分子微球、磁性聚合物薄膜等。
3.1.1 构成
由磁性无机物和高分子材料组成。
1）磁性无机物：主要是永磁铁氧体类磁粉和稀土类磁粉。
永磁铁氧体粉：有锶（Sr）、钡（Ba）铁氧体磁粉等；
稀土永磁粉：有SmCo、NdFeB、SmFeN永磁粉等。
2）高分子材料：粘结剂高分子材料有
橡胶：有天然和合成两类，主要用于柔性复合磁体制造，成型加工困难，可用注塑机来成型等；
热固性树脂：分环氧树脂、酚醛树脂；
热塑性树脂：以聚酰胺、聚丙烯、聚乙烯等，聚酰胺（PA）类最为常见，具有机械加工性、热塑性、吸湿性，目前最常用的PA基体是Nylon6、Nylon66等。
磁性高分子微球用高分子材料：主要是蛋白质、生物多糖、脂类等生物高分子和人工合成的接有各式各样功能基团的合成高分子材料。
制备聚合物膜的聚合物基体：原则上能用于制备高分子膜的聚合物都可以，如纤维素、氟碳塑料、聚脂、聚酰胺等。
3.1.2 制备方法
磁性树脂（磁性橡胶和磁性塑料）
制备磁性塑脂主要有共混、原位聚合和化学转化三种方法。
共混法：比较成熟，例如将聚乙烯、对苯二甲酸脂与SrO.6Fe2O3磁粉、可塑剂、稳定剂、表面处理剂共混制备聚脂单纤维丝。
原位聚合法：使聚合物单体在活化处理过的磁粉表面聚合，形成以磁粉为核、聚合物为包复层的复合磁性粒子，磁性粒子在聚合物单体中分散均匀。这种磁性粒子可进一步制成体型材料，也可单独作为功能材料（磁性高分子微球）应用。
化学转化法：能改善前两种方法存在的缺陷，如粒度难于控制、磁粉分布不均匀、磁性较弱等，是比较好的制备方法。
3.1.3 磁性高分子微球
磁性高分子微球是将高分子与磁性无机物通过包埋、单体聚合等方法形成具有磁性、粒径为几纳米到几百微米不等的特殊微球，磁分离是其具有的优越性，是二十年来研究的极其活跃的新型功能材料领域，在生物医学、细胞学、生物工程、环境保护等领域有着及其广阔的应用前景；磁性高分子微球还具有表面积大、流动性好、易加工等特性，在催化研究、磁记录、磁共振显像、化妆品、油漆、磁流变体等领域都有应用。
磁性高分子微轻按其结构分为A、B、C三型，其中C型（其核为磁性无机物，壳为聚合物）由于制备相对容易，且可通过共聚、表面改性等手段在聚合物表面接上多种反应性功能基团，其研究较多。
经研究表明，通过单体共聚和表面处理等手段使聚合物壳层带上-OH、-CHO、-COOH等功能基团而与酶等蛋白质结合，在外磁场作用下可方便地与周围介质分离，在酶的固定化、细胞分离、靶向药物、免疫分析等领域有着非常独特应用。表面接羟基使得磁性高分子微球具有两亲性；热敏性高分子包裹的磁性微球可用于吸附分离蛋白质；接有光导性功能基团的磁性高分子微球可用于临床检测诊断；壳聚糖包裹的生物磁性微球可吸附牛血清蛋白和溶菌酶；聚2-羟乙基甲基丙烯酸甲脂磁性微球可用于固定RNA；利用某些特殊功能基团与甲酸在微球表面生成电活性物质，结合微分-循环伏安法可确定痕量甲醛的存在。
就目前国内外的研究状况，将磁性高分子微球分成如图1所示的三大类。
3.1.4 磁性聚合物膜
磁性聚合物膜的磁性来源是无机磁性物，它既具有磁记录、磁分离、吸波、透波、缩波等磁特性，又具备质轻柔轫、加工性能优越等高分子特性，可将其用作高记录密度的高分子膜、分离膜、电磁屏蔽膜、，从而在功能性记忆材料、膜分离材料、隐身材料、微波通讯材料等多种军用、民用领域获得重要用途。
制造无机磁性填料-聚合物膜比较成熟的方法是物理法与化学法。物理法有真空沉积、离子镀、溅射等；化学法有共混、电镀、化学镀、液相外延等，近年来又发展了离子交换-化学沉积、仿生合成、模板合成等方法。
3.2 结构型磁性高分子材料
结构型磁性高分子材料按基本组成可分为纯有机和金属磁性高分子两类，前者以Ovchinnikov、Veciana、岩村秀等人对稳定自由基取代聚二炔体系，Nasu、Iwamura等人对聚卡宾体系的研究为代表，着重于理论；后者Miller等对二茂金属有机高分子、Kahn等对桥联型金属有机络合物磁性高分子、Palacio等对Shiff碱金属有机络合物磁性高分子的研究为代表，着重于应用。国内则以中科院应用化学研究所、南开大学化学系、四川师范大学化学系、浙江大学高分子科学与工程学院为代表。
目前国内外关于结构型磁性高分子制成有实用价值的材料比较少，基本上处于理论与应用探索的初始阶段。相对于纯有机磁性高分子，金属磁性高分子的研究和应用的成果要多一些。
近年来，日本大阪府立大学杉本教授等用含氟原子的苯醌衍生物(TcNQF4)及其与原子团阴离子的络合物，在室温25℃下合成了C、H、N和F组成的纯有机磁性化合物。
从结构看，纯有机铁磁体是不含磁性金属元素的氮氧自由基铁磁性有机聚合物。因不含任何无机金属离子，该类磁体的磁性机理及材料合成出现了很多新概念和新方法。在polyBIPO结构中，主链是一简单的反式聚乙炔结构，如图2所示。其中R为自由基，有一个未配对电子。每个单元内有一个未配对的电子存在，各单元内未配对π电子之间的相互 作用将可能导致体系呈现一种铁磁性。进一步考虑到π电子与未成键电子之间的铁磁交换关联，这种铁磁性将是稳定的，出现铁磁性的物理机理不同于铁、钴、镍等传统磁性材料。
4 磁性高分子材料的应用
4.1 复合型磁性高分子材料的一般应用
磁性橡胶：铁氧体磁性橡胶曾大量用于制造冷藏车、电冰箱、电冰柜的门封垫圈，后来发展到用于风扇电机、旋转轮胎的磁性橡胶条、减震材料。
磁性塑料：又称塑料磁铁，它兼有磁性材料和塑料的双重特性。根据填充磁性物质又反为铁氧体与稀土磁性塑料两大类。由于磁性塑料的机械加工性能好、易成型、尺寸精度高、轫性好、质轻价廉、易批量生产，对电磁设备的小型、轻量、精密和高性能均有重要意义；又可记录声、光、电信息，因而广泛用于电子电气、仪器仪表、通讯、日用品等诸多领域，如制造彩色显象管的会聚组件、微特电机磁钢、汽车仪器仪表、分电器垫片和气动元件磁环等。其中：
铁氧体塑磁：具有质轻、柔轫、收缩小、可作成形状复杂的制品，可连续成型、批量生产，其磁性可用磁粉含量来控制，化学稳定性好，若磁粉含量过高（提高磁性）其加工性和强度将受损，故磁性较差，但价格便宜，目前主要用于家电、日用品中。
稀土塑磁：机械强度、耐热性优于铁氧体塑磁，磁性好于烧结铁氧体永磁，其优越性加工性能可满足电子工业对电子元件小型轻量、高精密度、低成本的要求，因而可用于小型电机、通讯设备、传感器、继电器、仪器仪表等，是目前塑磁的主要发展方向。
磁性聚合物同时具有磁性和良好的加工性能，因而在许多领域具有广泛的应用。
4.2 在医学、诊断学领域里的应用　 　
磁性高分子微球能够迅速响应外加磁场的变化，并可通过共聚赋予其表面多种功能基团(如－OH，－COOH，－CHO，－NH2)从而联接上生物大分子、 细胞等。因此，在细胞分离与分析、放射免疫测定、磁共振成像的造影剂、酶的分离与固定化、DNA的分离、靶向药物、核酸杂交及临床检测和诊断等诸多领域有着广泛的应用。
例如，以改良的纤维素多糖(CAEB)-聚苯酐(PAPE)共聚物为骨架，利用包埋的方法制成了三层结构(骨架材料/磁性材料/药物)的磁性顺铂微球。用这种方法制备的磁性顺铂微球具有良好的药物控释特性，对于治疗恶性肿瘤具有极高的应用价值。
4.3 作吸波材料
在隐身材料研究领域，传统材料以强吸收为主要目标，而新型材料则要满足“薄、轻、宽、强”的要求。目前防止雷达探测所用的微波吸收剂多为无机铁氧体，但因其密度大难以在飞行器上应用。探索轻型、宽频带、高吸收率的新型微波吸收剂是隐身材料今后攻克的难点。根据电磁波理论，只有兼具电、磁损耗才有利于展宽频带和提高吸收率。因此，磁性高分子微球与导电聚合物的复合物具有新型微波吸收剂的特征，在隐身技术和电磁屏蔽上具有广阔的应用前景。
4.4在光纤传感技术中的应用
众所周知，光纤通信给信息技术的发展提供了巨大的市场，使得光纤技术的发展主要依从于光纤通信技术的发展。低损光纤问世以来，光纤通信技术发展 迅速，并己投入实用。与此同时，光纤传感技术也在迅速发展。由于光纤传输的信息量大，并具有电绝缘性好、便于联网等优点，受到国内外专家学者的广泛重视。早期用于传感器的光纤，大多数是从通信用光纤中选择直接使用或作某些特殊处理(如包层处理后)再使用。但随着光纤传感技术的发展，在许多情况 下，仅仅使用通信光纤是极为勉强的。因此，开发各种适合于传感技术要求的光纤显得非常必要。
　　Lenz等人制成了使用磁致伸缩材料做磁敏外套的磁敏光纤。在图3中(a)是圆形磁敏材料，可直接敷在裸光纤上，也可以在光纤的非磁性聚合物的外套上再敷上磁性材料。也可以像(b)那样 将光纤粘在扁平的矩形磁致伸缩材料片上。磁性材料在磁场的作用下对光纤产生轴向应力，而实现对磁场的传感。
4.5 作光导功能材料
磁性粒子(包括磁珠、磁性高分子微球等)具有磁响应性，在外加磁场的作用下可以很方便地分离。另外它具有比表面积大、表面特性多样的特点，可以结合各种功能物质。
酞菁类化合物作为有机光导功能材料，具有价廉、稳定、低毒和广泛的光谱响应的特点。然而它的不溶性和难以成膜性却妨碍了它的深入研究和实际应用。研究最多的解决办法即将酞菁分子共价结合到磁性聚合物链上：在磁性高分子粒子表面接上酞菁功能基，利用酞菁分子的光导性作为检测信号来获取生物活性分子间的相互作用信息，进而应用于临床检测诊断。
4.6 磁分离技术　　
磁分离技术是根据物质在磁场条件下有不同的磁性而实现的分离操作，它可从比较污浊的物系中分离出目标产物，而且易于清洗，这是传统生物亲和分离所无法做到的。同时，它几乎是从含生物粒子的溶液中吸附分离亚微米粒子的唯一可行方法。我国对磁性载体的研究正处于起步阶段，大多集中于磁流体和载体的制备方面。
应用于磁分离技术的磁性载体应具备以下特点：
（1）粒径比较小，比表面积较大，具有较大的吸附容量；
（2）物理和化学性能稳定，有较高机械强度，使用寿命长；
（3）含有可活化的反应基团，以用于亲和配基的固定化；
（4）粒径均一，能形成单分散体系；
（5）悬浮性好，便于反应的有效进行。
针对这些要求，人们对磁性载体的制备、性能及应用展开了许多研究，并取得一定成果。
5 发展前景
国内外在磁性高分子材料的理论研究方面，正从静态铁磁学向动态铁磁学转移；在合成制备方面，趋向于更合理的分子设计和更合理的合成路线研究；在应用研究方面，根据特有的性能（轻质、低磁损、常温稳定、易加工、抗辐照、介电常数、介电损耗、磁导率、磁损耗基本不随频率和温度变化、分子结构变化多样），有可能作成稳定的均相流体以及各种复杂形状的元件，用作新一代高存储信息材料、隔离材料、轻质宽带微波吸收剂、磁性传感器、低损耗高频微波通讯器件、生物体中药物定向传送载体、磁密封器件，若与其它功能材料配合无疑具有无限美好的应用前景。利用磁性高分子可能成膜的特性，使其在亚分子水平上形成均质高分子磁膜，可应用于高密度磁记录、磁屏蔽、磁分离、微波通讯等领域。
国内外在研究复合型高分子磁性材料的新材料、新方法、新性能等方面都取得了不少成果，例如采用各种手段将导电聚合物（聚苯胺、聚噻吩等）与磁性氧化铁复合具有明显的磁性和导电性双重特性的复合材料，从而在微波、电磁屏蔽等方面具有广泛的应用前景；制备具有磁光、磁热性能的新型多功能复合材料特别是纳米复合材料并将其用于生产与生活也是重要的发展方向。但是仍有许多问题需要解决和深入探讨，例如磁性粒子与导电聚合物之间的相互作用，改进合成方法以控制材料的结构和性质，使电、磁性能匹配达到最优等，其发展前景仍是很好的。
结构型有机磁性材料的出现，打破了传统的无机物所专有的金属的传导性、超导性和铁磁性这三大电磁特性，是对传统的磁性起源、交换作用等磁学基本理论的挑战：通常，磁性是由未满电子壳层的3d和4f金属、合金及其化合物所具有，而c、H、O、N等有机元素则是S或P电子的闭壳层，常呈现抗磁性。要使有机物质具有磁性必须引入未配对的顺磁中心(如各种过渡金属离子、有机自由基、极化子等具有自旋的准粒子及其组合等)并以某种方式来引入顺磁中心间的相互作用使得顺磁中心的自旋趋于一致。实践证明已获得的有机磁体可分为分子晶体、聚合物、电荷转移复合物和金属有机络合物四大类。但它们只在低温下有磁性，没有实用价值。Miller和Epstein现已开发出由非磁钒外包裹有机分子四氢乙烯(即TCNE)，在75℃下都保持磁性的有机磁体。法国制成的普鲁士兰化合物在42℃时将其粘到其他磁体上(该化合物是有机团包围的钒和铬原子)，因它们的原子是呈刚性晶板排列，增强了电子间的相互作用使其自旋取向一致。在室温下起作用的有机磁能弯曲，可作高密度磁性数据存储，改进人造心脏中的磁性阀。
6 结束语
磁性高分子材料的出现是现代高新磁性材料与技术的重要标志，是研发与应用的新扩展，并日益成为高分子材料研究领域的热点之一。新的磁性高分子材料的不断出现以及理论和应用的不断探索与推进，必将促进现代科技与工业特别是磁性技术与产业的进一步发展。

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